VR在“1+X”工業機器人操作與運維培訓中的應用 Application of VR in Operation and Maintenance Training of "1+X" Industrial Robot

黃波 HUANG Bo

摘要： “1+X”工業機器人操作與運維培訓是提升工業機器人專業學生實踐操作能力的重要手段，在傳統培訓過程中，需要大量的培訓設備及工具，并且對培訓場地有較高要求，教學成本高、危險系數大。VR技術的應用，有效的改變了這一系列問題，通過沉浸式的學習方式，提高了學習效果，豐富了教學內容。

Abstract： "1+X" industrial robot operation and maintenance training is an important means to improve the practical operation ability of students majoring in industrial robot. In the traditional training process， a large number of training equipment and tools are required， and there are high requirements for the training site， high teaching cost and high risk factor. The application of VR technology has effectively changed this series of problems， improved the learning effect and enriched the teaching content through immersive learning.

關鍵詞： VR技術;工業機器人;1+X

Key words： VR technology;industrial robot;1+X

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0255-02

0? 引言

中國作為制造和需求大國，連續五年在工業機器人全球銷售量排行榜中遙遙領先。同時，中國制造業發達，每年對工業機器人需求量很大。工業機器人在內燃機整機裝配及零部件制造領域應用廣泛，活塞和缸體的裝配是內燃機中非常重要且繁瑣的一環，工業機器人的應用不僅提高了生產效率，并且提高了內燃機的裝配質量。工業機器人以其高穩定性，高靈活性，高精確性備受青睞，這就直接導致了我們需要更多操作、運維和維修工業機器人的人才，這些人員必須具備扎實的工業機器人理論知識和實踐經驗。高職院校作為實踐類人才的培養搖籃，應當努力擔負這項重任，開設工業機器人專業，培養工業機器人運維人才。

1? VR技術簡介

VR技術，也叫虛擬現實技術。VR技術由美國提出，在美國的應用領域較廣。隨著科學技術發展，我國也在努力發展VR技術的研究與應用，尤其是在教育領域，很多高校愿意使用VR技術來構建虛擬實驗室、虛擬教學場所，希望利用該項技術進行教學改革，提升教學質量，提高人才培養標準。

2? “1+X”工業機器人操作與運維培訓現狀

2.1 教學資源短缺? “1+X”工業機器人操作與運維培訓，必須配套相應的工業機器人作為項目載體。工業機器人實物價格昂貴，學校配套資金有限，導致能夠用作拆裝實訓的工業機器人較少，而班級人數又較多，這就導致了教學資源的嚴重不足。不僅如此，工業機器人技術發展突飛猛進，正朝著智能化、輕量化和集成化的方向發展。教師若想把最先進的技術知識教授給學生，就必須不斷更新設備，這與學校資金有限、采購周期長等客觀因素互相矛盾。因此，高職院校的“1+X”工業機器人操作與運維培訓普遍存在教學資源短缺的狀況。

2.2 設備維護困難? 每臺工業機器人都有相應的伺服電機和其他主體結構，裝配較為復雜。學生平時接觸工業機器人機會少、對結構不熟悉、沒有拆裝經驗，很多學生在拆裝時并不會嚴格按照老師提出的拆裝要求和流程來做，存在一些操作錯誤，這就直接導致工業機器人設備損耗嚴重、零件丟失、伺服電機軸線安裝不當等一系列問題的產生。若干個班級輪流上拆裝實訓課后，工業機器人已經失去了原有的精度，不能正常工作。工業機器人本身結構復雜，需要專業人員來進行定期維護，而學校機器人專業的教師課務繁忙，也沒有一定的維護經驗，直接影響了工業機器人的使用效果和上課要求。

2.3 實訓項目單一? “1+X”工業機器人操作與運維培訓的項目較為單一，一部分是由于實驗室拆裝設備數量不足，無法滿足多項目的拆裝實訓，另一部分是因為教師精力有限，實訓課一般采取統一指導的方式進行，沒有考慮到學生的差異性，很多學習能力強、愿學肯干的同學得不到很好的機會來進行更深一步的探究學習，也有一些學習接受能力弱的學生沒有能夠得到與之能力相匹配的實訓項目，只能人云亦云，學習效果無法保證。

3? VR技術在“1+X”工業機器人操作與運維培訓中的應用

VR技術在“1+X”工業機器人操作與運維培訓中的應用，主要依靠機械裝調虛擬仿真軟件，它可以組織學生完成工業機器人組裝、調試和維修的技能仿真訓練，為學校的工業機器人專業學生提供虛擬教學培訓環境，學習工業機器人設備的維護、維修及安裝調試。

3.1 構建虛擬實訓車間? VR虛擬仿真軟件可以模擬出一比一的實訓車間，如圖1所示，包括拆裝機器人、操作平臺、倉庫和拆裝工具等，場景生動形象。學生完成虛擬車間構建后，可利用VR技術看到車間內三維立體的工業機器人，觀察到內部的結構，如機械手臂、伺服電機、控制柜等，對想要了解的結構進行全方位接觸和了解。通過構件虛擬實訓車間，可以有效節約拆裝實訓場地，解決教學資源不足的問題，為學生提供真實的教學感官，解決實訓項目單一的問題。

3.2 模擬拆裝實訓操作? 我們使用的虛擬軟件是一款基于zSpace桌面式虛擬現實操作平臺的教學實訓軟件，以主流應用中的六軸機器人為藍本建模，如圖2所示，可模擬機器人的主要結構拆裝實訓、維護維修、示教操作、工作站搭建及工作站設計五大模塊實訓任務。學生在拆裝過程中，可針對油孔、外殼、J1、J2、J3、J4、J5、J6等8大模塊進行自由拆卸和整體安裝，另外還擴展了控制柜拆裝和伺服電機拆裝模塊。老師上課時可利用示教器進行規范操作。通過精準的人機交互，可將教學模型拉出屏幕操作，無限制地進行旋轉、拆裝、放大、縮小等操作，多角度觀察模型細節及透視，解決傳統教學抽象原理難講解，復雜結構難拆裝的問題，提高學生學習興趣和效率。在拆裝實訓過程中，學生掌握了如何進行日常維護操作、如何判斷機構部故障、控制柜硬件故障、示教器程序報警故障等;掌握了如何進行工作站搭建，工作站安全、操作、維護保養等。

3.3 模擬拆裝考核? 虛擬仿真系統還包含了考核模塊，可以檢驗學生的學習效果。在考試時，系統會對學生進行全方位考核監督，包括操作的規范性、拆裝的順序、拆卸后零件的擺放位置等，并對其操作不當的地方進行提示或警告。系統的記憶功能強大，可以記錄學習操作的相關情況，包括每一部件的拆裝時間、錯誤步驟等，給教師的打分提供了可靠的依據。如圖3所示，學生可按照虛擬設備工具進行操作。

4? VR技術應用后的教學效果

4.1 提高學習和教授效率? 學生通過手柄操作控制機械模型，利用交互視覺反饋以及培訓系統，掌握機械的組成以及運行原理，讓復雜繁瑣的機械操作培訓課程，變成高效、雙向互動反饋的虛擬現實課堂。學生可進入物體內部進行觀察，打破了空間限制;可看清機器內部零件工作狀況，給學生直觀認識。從不同角度展示了零部件的拆裝，多方位展示機器人原理。學生主動參與，自主學習，提高學習興趣與效率。教師教學直觀、省力，可以及時跟蹤學生操作情況并給予指導。

4.2 更好的對接崗位? VR技術引入后，以機器人現有權威專業教學大綱為依據，實訓內容匹配就業崗位技能要求，全面滿足機器人專業的教、學、訓需求。實訓軟件以真實廠房為背景，各個模塊的學習以爆炸圖動畫為配套，如圖4所示，創建情景化交互式的教學實訓環境，除對機器人進行整體拆卸外，還可單獨選擇油孔、外殼、J1、J2、J3、J4、J5、J6等8大模塊的拆卸任務。老師可以全方位立體化旋轉展示機器人整體、J1、J2、J3、J4、J5、J6等7大模塊的結構組成并進行原理演示;并可對整體或單個模塊進行自由拖拽、360度翻轉，清晰查看內部零部件結構關系。當前模塊被選中時，其之前的結構默認被拆卸完成，同時在文字框顯示當前操作的提示信息內容，并可復原整體結構或撤銷已操作過的步驟方便反復練習。

5? 結論

VR技術在“1+X”工業機器人操作與運維培訓中的應用是革命性的創新，可以有效改善目前該培訓過程遇到的教學困難，實現教學突破。但是這一教學形式還存在著諸多問題，我們仍需進行更深層次的研究，在使用過程中不斷改進、交流，爭取滿足眾多學生的個性化需求，提高學習效率。在工業應用領域，特別是內燃機端蓋等的柔性生產線中，在設置壓鑄機旁的端蓋取料冷卻系統和機加工系統融入工業機器人，既提高了生產效率，又降低了使用設備的投資成本，VR技術在實際投入生產前，及時、高效地分析設備布局，并進行改進，有效控制成本，提高了生產效率。

參考文獻：

[1]陳長全，符龍生.VR技術在高職院校實訓中的應用[J].電子技術與軟件工程，2018（18）：129-131.

[2]梅文濤，苑苓苓，鄭勇峰，高霞.沉浸虛擬現實技術在高職院校實訓教學中的應用[J].探索天津職業院校聯合學報，2015，17（08）：78-81.

[3]許鵬輝.工業機器人拆裝實訓平臺設計[J].電子元器件與信息技術，2020，4（07）：158-159.